Динамика и эволюция биосферы

Масштабы и время, в которых выражается динамика экосистем, различны: изменения в биоценозах могут иметь суточную или сезонную ритмику, длится на протяжении ряда лет или же охватывать целые экологические эпохи, отражая развитие биосферы в целом.

Суточные изменения не приводят к принципиальным изменениям видового состава и основных форм взаимодействия в экосистеме.

Сезонные изменения затрагивают более фундаментальные характеристики экосистем. В основном это касается биоценозов. В неблагоприятные сезоны ряд видов мигрируют в районы с лучшими условиями существования.

Развитие биоценозов, при котором имеет место замещение во времени одного общества другим, называют экологической сукцессией. В большинстве случаев процессы сукцессии занимают временные промежутки, измеряемые годами, десятилетиями, хотя в отдельных случаях смены сообществ происходят с большой скоростью. Наряду с этим известны вековые изменения экосистем, отражающие общие пути эволюции биосферы.

Следует отличать эволюционную экологию от динамической. Динамическая экология имеет дело с короткими отрезками развития биосферы и экосистем, в то время как эволюционная экология рассматривает развитие биосферы на более длительном отрезке времени. Как изучение биогеохимических круговоротов и сукцессии – задача динамической экологии, а принципиальные изменения в механизмах круговорота веществ и в ходе сукцессии – задача эволюционной экологии.

Луи Пастером выделены следующие две важные точки в эволюции биосферы. Момент, когда уровень содержания кислорода в атмосфере Земли достиг примерно 1 % от современного. С этого времени стала возможной аэробная жизнь. Предполагается, что накопление кислорода шло скачкообразно и заняло не более 20 тыс. лет. Достижение содержания кислорода в атмосфере около 10 % от современного привело к возникновению и формированию озоносферы. В результате жизнь стала возможной на мелководье, а затем и на суше.

Эволюционные теории, начиная от предложенной Дарвином, базируются на том представлении, что развитие происходит от простого к сложному. Это представление противоречит известному в кибернетике принципу Эшби: управляемая система не может быть сложнее управляющей, она всегда проще. В процессе воспроизводства живые организмы воссоздают себя без уменьшения сложности, а даже наоборот известны периоды эволюции, когда сложность организмов увеличивалась. Причину несоответствия развития живых и механических систем ряд ученых видит в том, что живые организмы не есть самовоспроизводящие, они воссоздают себя в сложных условиях окружающей среды – биосферы. Другими словами, живые организмы получают информацию извне из биосферы. Причем система, которая руководит развитием индивидуума, разворачиванием информации, записанной в генетическом коде, намного сложнее самого организма. Универсальную роль носителей информации в биосфере играют электромагнитные поля.

Одним из главных достижений экологии стало открытие, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе (сукцессия), приводит к изменению физической среды и создает благоприятные условия для других популяций. Это будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто равновесия между биотическими и абиотическими компонентами. Развитие экосистем во многом аналогично развитию отдельного организма и в то же время сходно с развитием биосферы в целом. Развитие экосистем идет в направлении их устойчивости, достигаемой за счет увеличения разнообразия. Распространив этот вывод на всю биосферу, получим ответ на вопрос, зачем нужны 2 млн. видов. Можно думать (так до возникновения экологии и считали), что эволюция ведет к замене одних менее сложных видов другими, более сложными, вплоть до человека, венца природы. Менее сложные виды, дав дорогу более сложным, становятся не нужны. Экология разрушила этот удобный для человека миф. Теперь ясно, почему опасно, как делает современный человек, уменьшать многообразие природы.

Одно и даже двувидовые сообщества нестабильны. Нестабильность означает, что могут происходить большие колебания плотности популяций. Это и детерминирует эволюцию экосистем к зрелому (стабильному) состоянию. Разнообразие непосредственно связано с устойчивостью системы. Однако пока не известно, до какой степени эта связь является причинно-следственной. В устойчивых экосистемах велики потери проходящей через нее энергии. А экосистемы, теряющие меньше энергии (системы с меньшим числом трофических уровней), менее устойчивы. Какие системы следует развивать? Необходимо определить такой оптимальный вариант, при котором экосистема достаточно устойчива, и в то же время потери энергии в ней не слишком велики.

В природе существует и равновесие и эволюция. Механизм, ответственный за эволюцию живой природы, получил название гомеореза. Под действием внешних изменений он дает возможность переходить из одного устойчивого равновесия в другое, через неравновесные точки. Это называют устойчивым развитием.

Можно констатировать, что основной чертой эволюции – нарастающий ее темп. Если условно принять возраст Земли 4,5 млрд. лет за одни сутки (24 часа), тогда в таких единицах жизнь на Земле существует около 20 часов, первые живые существа вышли из моря на сушу 6 часов 35 минут, а человек существует последние 10 с, но за эти 10 с произошли резкие изменения состава и характеристик биосферы.